塑性成形中非局部摩擦的数值分析与实验

论文摘要

在金属塑性成形加工过程中,模具与工件之间存在着摩擦。摩擦起着重要作用。摩擦模型是求解金属塑性成形力学问题的边界条件之一。目前,只能用简化的摩擦模型代替真实的摩擦分布。常用的简化摩擦模型有:库仑摩擦模型和常摩擦模型。从连续介质力学的观点来考虑,接触界面被视为具有剪切强度的连续膜。在金属塑性成形加工力学中,接触面上逐点采用的库仑摩擦定律是局部性质的,即接触面上摩擦域内某质点的摩擦效应只与该点的状态有关。然而,实际上金属表面往往是粗糙的,接触界面是粗糙面之间的接触,某一点的摩擦效应不仅与该点的状态直接相关,还与该点有限大小邻域内的其它点的状态有关,这是一种非局部摩擦效应。因此,在细观尺度上有必要用非局部摩擦模型替代库仑摩擦模型来考虑接触界面上微凸结构所引起的非局部摩擦效应。本论文的主要内容有:采用非局部摩擦模型代替库仑摩擦模型研究了轧制过程中接触面上单位压力分布规律,得出了非局部摩擦下的轧制单位压力计算公式,并分析了不同工况条件下非局部摩擦模型与库仑摩擦模型对接触面上单位压力分布影响的差异。首次将Oden等提出的非局部摩擦理论应用于冷挤压过程的流体润滑机理分析,建立了一种非局部形式的流体润滑模型,并利用摄动方法求出了其近似解。基于ADINA中用户子程序进行了摩擦模型的二次开发,将非局部摩擦模型引入ADINA中。利用有限元数值模拟方法,从宏观和细观方面研究了非局部摩擦模型对塑性成形过程的影响,将非局部摩擦模型用于轴对称圆柱体镦粗工艺中,得到不同压下量与接触法向应力的变化关系,及接触面上压应力和摩擦应力的分布规律。分析了微凸体分布密度不同、微凸体高度不同时,非局部摩擦的影响变化规律。设计制作了一套摩擦测试实验系统,从实验中得出随着压力的增加、接触面积的增加,摩擦系数减小以及随着压下量的增加,接触面平均压应力的变化规律,并与模拟值进行了比较。以上研究结果表明,采用非局部摩擦模型代替局部的库仑摩擦模型对塑性成形加工过程的摩擦行为进行分析,虽然增加了问题的复杂性,但使分析的结果更精确、更真实。非局部摩擦模型的采用将有助于我们更加深入地认识金属塑性成形加工过程中的摩擦机理,有益于探索非局部摩擦模型的应用价值、拓展非局部摩擦模型的应用范围,为细微成形加工技术的应用与发展奠定良好的理论基础,为塑性加工工艺和塑性加工技术的改进与创新提供广阔的前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属塑性成形摩擦学发展概况
• 1.2.1 金属塑性成形时摩擦的特点
• 1.2.2 塑性成形过程中摩擦分类及常用的摩擦模型
• 1.3 塑性成形中摩擦接触问题研究方法
• 1.4 非局部摩擦发展概况
• 1.5 选题背景和意义
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 非局部摩擦模型及其近似解析解
• 2.1 非局部摩擦模型
• 2.2 摄动法
• 2.3 非局部摩擦模型下轧制单位压力分析
• 2.3.1 主应力法
• 2.3.2 非局部摩擦模型下轧制时的近似平衡微分方程
• 2.3.3 平衡微分方程的求解
• 2.3.4 结果分析
• 2.4 冷挤压成形中非局部润滑模型的建立及其近似解
• 2.4.1 冷挤压润滑过程分析
• 2.4.2 非局部润滑模型的建立
• 2.4.3 非局部形式的流体润滑模型的近似求解
• 2.5 本章小结
• 第3章 金属塑性成形过程中的摩擦接触问题数值模拟有限元理论
• 3.1 金属塑性成形有限元模拟概述
• 3.2 接触问题有限单元解法理论阐述
• 3.2.1 接触问题特点
• 3.2.2 接触问题的有限单元法原理
• 3.2.3 接触问题的求解过程
• 3.2.4 接触界面的定解条件和校核条件
• 3.3 典型有限元分析步骤
• 3.4 本章小结
• 第4章 ADINA摩擦模型的二次开发
• 4.1 ADINA有限元软件介绍
• 4.1.1 ADINA有限元软件概述
• 4.1.2 ADINA软件模块
• 4.1.3 ADINA中摩擦接触问题处理方法
• 4.1.4 ADINA的摩擦模型子程序
• 4.2 非局部摩擦模型在ADINA中的二次开发
• 4.2.1 在ADINA中创建一个非局部摩擦系数函数
• 4.2.2 非局部摩擦模型在ADINA中的实现
• 4.3 本章小结
• 第5章 表面微凸对金属成形过程中摩擦的影响数值分析
• 5.1 接触表面的微观结构描述
• 5.1.1 两种模型比较
• 5.1.2 实际接触表面微观结构的描述
• 5.2 非局部摩擦宏观分析
• 5.3 非局部摩擦细观分析
• 5.3.1 考虑单个微凸体时非局部摩擦影响分析
• 5.3.2 考虑多个微凸体时非局部摩擦影响分析
• 5.3.3 微凸体分布密度的影响分析
• 5.3.4 微凸体高度的影响分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 摩擦测试实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 滑动摩擦实验
• 6.2.1 实验原理
• 6.2.2 实验测试系统
• 6.2.3 实验方案
• 6.3 实验结果分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果